Томас Юнг родился в Мильвертоне, графство Сомерсет, Англия. После учебы в Лондоне, Эдинбурге, Готтингене и Кембридже Юнг получил ученую степень профессора естествознания. В 1799 году он начал заниматься медицинской практикой в Лондоне. Основной сферой его интересов было изучение физического восприятия света. В 1801 году он открыл причины астигматизма, тяжелой глазной болезни, и в том же году приступил к изучению оптики.
Пропуская световые лучи сквозь близко расположенные щели, Юнг обнаружил, что они расщепляются и перекрываются (интерферируются). А в области перекрывания полоски света чередовались с полосками темноты. Так Юнг открыл волновую природу света. Эта теория позволила объяснить появление цвета на тонких пленках (например, на мыльных пузырях), соотношение цвета и длины волны, высчитать приблизительную длину семи цветовых волн, открытых Ньютоном (радуга).
В 1817 году Юнг предположил, что световые волны колеблются в плоскости, перпендикулярной направлению движения. Он высказывался в пользу поперечности световых колебаний. Этим он объяснил поляризацию световых волн.
Большинство современников Юнга весьма пренебрежительно отнеслись к открытиям ученого, так как любое противоречие курпускулярной теории Ньютона было немыслимо. И только после подтверждения теории Юнга французскими физиками Августином Френселем и Франсуа Арго его постулаты были приняты в Европе.
Помимо световой теории Юнг исследовал восприятие света и предположил, что глазу не нужно отдельных механизмов для восприятия каждого цвета по отдельности, а достаточно всего трех чувствительных волокон - для восприятия зеленого, красного и синего цветов. Поскольку положения этой теории позднее развивались немецким физиком Германом фон Гельмгольцем, в современной физике она известна как трехцветная теория Юнга-Гельмгольца.
Также Томас Юнг занимался изучением эластичности, измерением размеров молекул и натяжения на поверхности жидкости. Именно он открыл константу в математических уравнениях, описывающих эластичность, названную именем ученого - "модуль Юнга".
Помимо физики Томаса Юнга очень интересовала история Древнего Египта, особенно расшифровка египетских манускриптов. В 1814 году, вооружившись дополнительными знаниями по дешифровке иероглифов, Юнг начал работать над манускриптами, найденными Розеттой Стоун, и через несколько лет кропотливого труда ему удалось получить почти идеальный перевод.
Переутомление, вызванное многолетней работой над дешифровкой египетских иероглифов, вызвало необратимые изменения в организме Юнга, вследствие которых он неожиданно скончался в своём доме в Лондоне в возрасте 56 лет.